黑龙江省逊克平原土壤质量及绿色产地适宜性评价

张哲寰，刘凯，赵君，梁帅，魏明辉，刘洋

(1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心,辽宁 沈阳 110034; 2.自然资源部 黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034； 3.辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034； 4.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054)

0 引言

土壤是人类赖以生存的物质基础，是农业生产的载体，其质量直接影响农产品质量和人类健康。土壤质量评价是衡量土壤质量优劣、优化土地利用的基本途径，是农业土地资源调查的重要内容和土地规划的重要组成部分[1-3]。土壤耕作中，由于长期施用化肥、农药及灌溉等，会导致土壤理化性质恶化，质量下降，进而影响土壤生态系统的结构和导致土壤功能发生改变，土地生产力下降，甚至于造成生态环境恶化。土壤质量地球化学评价内容是以影响土壤质量的养分指标、环境指标为主，综合考虑与土地利用有关的各种因素而进行的土壤质量地球化学评价[4-11]，旨在为农业开发、耕地保护、改善种植结构、提高农产品质量提供科学依据。

1 研究区概况

黑龙江省逊克平原位于小兴安岭北麓，黑龙江中游右岸，隔黑龙江与俄罗斯相望。研究区地形西南高、东北低，南部为小兴安岭的剥蚀丘陵，北部为黑龙江河谷漫滩，中间为岗状山前台地。海拔70～755 m，平均海拔203 m。区内河流有黑龙江、逊河、乌云河及结烈河，均属黑龙江水系。研究区气候为温带—寒温带大陆性季风气候。冬季漫长，干燥寒冷； 春季风大，少雨干旱； 夏季短暂炎热，昼夜温差较大； 秋季降温迅速，常有冻害发生。年日照时数约2 480 h，有效积温1 700～2 300 ℃，年平均气温0.9 ℃，年降水量450～600 mm，无霜期90～120 d，适宜农、林生产和植物生长。主要农作物有水稻、玉米、大豆等。

工作区出露的地层由老到新依次有元古宇、寒武系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系及第四系。古近系和新近系在工作区内出露面积最大，其次为第四系，主要沿河流成条带状分布。其他地层在工作区内零星分布(见图1)。

图1 研究区地质图Fig.1 Geological map of the study area

2 数据来源

2.1 样品采集

依据中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014)，使用GPS并结合1∶5万地形图定位，在逊克平原按网格均布采集表层土壤样品，表层土壤采样深度0～20 cm，每1 km2采集一个土样，共采集土样12 258件，按照2 km×2 km的格网，将每个网格的4个土样混合成一个分析样品进行分析测试，共组合表层土壤分析样品3 519件。

2.2 样品分析与数据处理

土壤样品分析测试由具有MA认证资质的自然资源部沈阳矿产资源监督检测中心承担，提取分析方法及检出限见表1。数据处理和分析利用Excel、ArcGIS和GeolPAS软件完成。

表1 土壤中各指标分析方法及检出限Table 1 Analysis methods and detection limits of soil elements

3 评价方法与标准

3.1 土壤养分质量评价

依据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)进行土壤养分质量评价，选择N、P、K、有机质、CaO、MgO、Fe2O3、S、B、Zn、Mn、Cu、Mo、Co、Ge、V共16项指标, 以分析样品所对应的2 km×2 km网格为评价单元，依据规范元素养分等级划分标准将土壤养分单指标划分为五等、四等、三等、二等、一等5个等级，并赋予相应的分值(fi)，分别为1、2、3、4、5。在此基础上按下式计算土壤养分地球化学综合得分f养综。

式中：f养综为氮、磷、钾综合评价得分，1≤f养综≤5；ki为氮、磷、钾权重，分别为0.4、0.4和0.2；fi为氮、磷、钾单指标评价得分。按表2确定土壤养分综合等级。

表2 土壤养分地球化学综合等级划分Table 2 Comprehensive geochemical classification of soil nutrients

3.2 土壤环境质量评价

依据生态环境部《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)标准，以Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8种重金属元素为评价指标，标准中按不同酸碱度给出了土壤污染风险筛选值和管控值，将元素含量实测值与筛选值、管控值比较，并按表3确定土壤环境质量单指标评价结果。评价单元土壤环境质量综合评价等级等于单指标环境评价最差的等级。

表3 重金属单元素污染风险等级划分标准Table 3 Standard for risk classification of single element pollution of heavy metals

当土壤中某种重金属含量等于或者低于风险筛选值时，认为农用地土壤污染风险低，一般情况下可以忽略，属于一等(无风险)土地； 当土壤中重金属含量高于风险筛选值，且等于或低于风险管控值时，认为可能存在食用农产品不符合质量安全标准等农用地土壤污染风险，属于二等(风险可控)土地； 当土壤中重金属含量高于风险管控值时，认为食用农产品不符合质量安全标准等农用地土壤污染风险高，属三等(风险较高)土地。

3.3 土壤质量综合评价

土壤质量综合等级根据评价单元的土壤养分综合等级与土壤环境综合等级按表4确定。

表4 土壤质量地球化学综合等级Table 4 Comprehensive geochemical grade of soil quality

3.4 绿色产地适宜性评价

3.4.1 绿色产地土壤环境评价

以分析样品所对应的2 km×2 km网格为评价单元，依据农业部《绿色食品产地环境质量》(NY/T 391—2021)、《绿色食品产地环境调查、监测与评价规范》(NY/T 1054—2021)等相关标准[12-14]，以Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu 6种重金属元素为评价指标，利用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法评价土壤污染程度，再结合土壤肥力评价种植绿色农产品的土壤环境适宜性。单项污染指数按下式计算：

Pi=Ci/Si。

式中：Pi为监测项目的污染指数；Ci为监测项目的实测值；Si为监测项目的评价标准值(见表5)。

表5 绿色食品产地土壤环境质量限值Table 5 Envionmental quality limits for soil in green food production areas 10-6

如果有一项单污染指数大于1，视为该产地土壤环境质量不符合要求，不适宜发展绿色食品。若单项指数均小于1，则按照下式计算综合污染指数，并根据土壤综合污染指数进行分级。

式中：P综为土壤综合污染指数;Pimax为土壤单项污染指数的最大值;Piave为土壤单项污染指数的平均值。P综≤0.7，为土壤清洁(一级)； 0.71.0，为土壤污染。

3.4.2 绿色产地土壤肥力评价

土壤肥力以有机质和全氮含量分级(见表6)，评价单元的综合肥力为二者中较差的等级。

表6 土壤肥力等级划分Table 6 Classification of soil fertility grade

3.4.3 绿色产地土壤环境质量适宜性评价

绿色食品产地土壤环境质量适宜性是以土壤环境质量为依据，土壤肥力仅用于等级划分。当土壤环境质量达到一级标准(清洁)，且土壤有机质和全氮含量均在Ⅱ级以上，则判定评价单元符合AA级绿色食品产地要求，为适宜区； 当土壤环境质量达到一级标准，土壤有机质和全氮含量低于Ⅱ级，则判定评价单元符合A级绿色食品产地要求，为较适宜区； 当土壤环境质量未达到一级标准，则判定评价单元为不符合绿色食品产地要求，为不适宜区(其他产地)。

4 结果与讨论

4.1 土壤养分评价

土壤养分是植物生长发育必需的物质，是衡量土壤肥力的主要依据，其含量高低直接影响作物的生长发育和果实的产量及品质[15]。逊克平原土壤中N、P、有机质、S、Mn、Mo含量以丰富—较丰富为主； K、Fe2O3、Co、V含量以较丰富—中等为主； MgO、CaO、Zn含量以中等—较缺乏为主； Cu、B、Ge含量以较缺乏—缺乏为主。

4.1.1 有机质和大量营养元素氮、磷、钾

土壤有机质不仅是植物营养的重要来源，也是微生物活动的能源。逊克平原表层土壤有机质含量范围为1.16×10-3～103.96×10-3，平均47.37×10-3，高于东北玉米优势区土壤平均有机质含量(26.65×10-3)[16]。全区有机质含量总体处于中等以上水平，丰富—中等土壤占95.55%，其中有机质含量丰富—较丰富的土壤占82.43%，面积达11 256 km2。

N、P、K是植物生长发育必需的大量营养元素，也是影响作物产量的主要养分限制因子。逊克平原表层土壤N、P、K平均含量分别为2.31×10-3、0.98×10-3、20.26×10-3，处于丰富—中等水平，丰富—中等土壤面积分别占全区面积的96.48%、87.17%和99.86%，其中P较缺乏—缺乏土壤有1 752 km2，占全区的12.83%(见表7)。

表7 土壤大量营养元素(指标)含量与评价结果统计Table 7 Statistical table of content and evaluation results of soil macronutrient elements (indicators)

4.1.2 中量营养元素钙、镁、硫

Ca、Mg、S也是植物生长发育所必需的营养元素。Ca是构成植物细胞壁的成分，能稳定生物膜结构，缺Ca时，植物生长受阻，个头矮小，根系容易腐烂，果实生长发育不良。Mg是叶绿素的必要成分，植物体内Mg的最重要功能是形成叶绿素，同时还是多种酶的活化剂，缺Mg会影响作物的产量和品质。S是蛋白质的组成元素，缺S时作物生长受到障碍，植株矮小瘦弱，叶片黄化[17]。

逊克平原土壤表层CaO、MgO、S平均含量分别为0.95×10-2、0.89×10-2、270.93×10-6，其中S以丰富—中等为主，面积为9 380 km2，占全区面积的68.69%； CaO、MgO以较缺乏—缺乏为主，CaO较缺乏和缺乏面积为10 776 km2，占全区面积的78.91%，MgO较缺乏和缺乏面积为13 028 km2，占全区面积的95.4%(见表8)； 可见随着氮、磷、钾肥的大量施用和作物产量的不断提高，中量元素缺乏逐渐成为限制作物产量和品质提高的重要影响因素[18]。

表8 土壤中量营养元素含量与评价结果统计Table 8 Statistical table of content of nutrient elements in soil and evaluation results

4.1.3 微量营养元素

逊克平原土壤微量养分元素Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Co、Ge、V的含量和等级见表9，其中Mn、Mo含量以丰富—较丰富为主，Fe、Co、V含量以较丰富—中等为主，Zn以中等—较缺乏为主。土壤中B、Cu和Ge含量以较缺乏和缺乏为主，B、Cu和Ge较缺乏和缺乏面积之和分别为全区面积的99.45%、85.53%和69.3%。

表9 土壤微量营养元素含量及评价结果Table 9 Content and evaluation results of soil micronutrients

植物缺B时作物不能形成正常花器官，花粉管畸形，花粉粒发育不良，形成“有花无果”或果实质量不佳等现象[19-20]。Cu能提高叶绿素的浓度增强光合作用，促进蛋白质的合成，作物缺Cu将严重影响产量[21-22]。Zn有促进作物细胞呼吸、碳水化合物代谢及对氧的利用作用，当土壤中严重缺Zn时，作物产量大减，甚至绝收，对Zn敏感的作物有玉米、水稻、小麦、甘署等，科学施用Zn肥，能促进作物生长发育，提高作物结实率和产量，并显著改善产品品质[23]。Ge是一种具有多种生物活性的微量元素，对人体具有广泛的防病治病等功效，被科学家称为“21世纪的救命锗”和“生命的奇效元素”[24-26]。因此建议对逊克平原土壤P、CaO、MgO、Cu、Zn、B、Ge缺乏区施加相应的微量元素肥料，进行土质改良，以提高农作物的产量和质量。

4.1.4 土壤养分综合

土壤养分综合评价结果见表10和图2。逊克平原土壤综合养分没有缺乏等级，土壤养分综合以丰富为主，面积6 088 km2，占总面积的44.58%;二等土壤面积为4 984 km2，占总面积的36.5%;三等、四等土壤面积分别为2 084 km2、500 km2，分别占总面积的15.26%和3.66%，主要分布在逊河以北局部地区以及宝山乡—向阳乡和乌云镇之间;可见逊克平原土壤肥沃，有利于农作物生长，适合发展现代化农业。

表10 表层土壤养分综合评价结果Table 10 Comprehensive evaluation results of surface soil nutrients

图2 逊克平原土壤养分综合等级评价Fig.2 Comprehensive grade evaluation map of soil nutrients in Xunke Plain

4.2 土壤环境评价

土壤环境单指标评价结果见表11。土壤中Hg、Pb二项土壤环境质量等级均为一等(无风险)，Cu、Zn、Ni、As、Cd、Cr 6项土壤环境质量为一等(无风险)的土壤分别占全区面积的99.97%、99.85%、99.97%、99.82%、99.85%、99.97%。可见，逊克平原重金属元素在土壤中基本处于安全水平，仅局部有二等(风险可控)土壤，零星点状分布在孙吴县清溪乡西部、逊克县宝山乡和沪嘉乡、嘉荫县红光乡—保兴乡等地(图3)。全区没有三等(风险较高)土壤。

表11 土壤环境单指标评价结果Table 11 Single index evaluation results of soil environment

图3 逊克平原土壤环境综合等级评价Fig.3 Comprehensive grade evaluation map of soil environment in Xunke plain

4.3 土壤质量综合评价

土壤质量地球化学综合等级是土壤养分和土壤环境的综合反映，逊克平原土壤质量综合等级均在中等以上，没有四等(差等)和五等(劣等)土壤，其中一等(优质)土壤面积11 028 km2，占全区的80.76%；二等(良好)土壤面积2 072 km2，占全区的15.17%；三等(中等)土壤面积556 km2，占全区的4.07%(见图4)。

图4 逊克平原土壤质量综合等级评价Fig.4 Comprehensive grade evaluation map of soil quality in Xunke plain

4.4 绿色产地土壤环境质量适宜性评价

4.4.1 绿色产地土壤环境评价

逊克平原绿色产地土壤环境质量综合评价结果达到一级(清洁)的土壤面积为13 540 km2，占99.15%；二级(尚清洁)土壤面积为72 km2，占0.53%，主要受As、Cd、Cr、Cu、Pb的影响；局部受到轻度污染的土壤面积44 km2，占0.32%。

4.4.2 绿色产地土壤肥力评价

逊克平原土壤肥力较高，一级(肥力高)土壤面积为13 152 km2，占96.31%；二级(肥力较高)土壤面积为360 km2，占2.64%；三级(肥力一般)土壤面积为144 km2，仅占1.05%。

4.4.3 绿色产地土壤环境质量适宜性

逊克平原土壤环境质量满足绿色食品产地要求的土壤达到99.15%，其中满足一级(AA级)绿色食品产地标准的土壤面积为13 392 km2，占全区面积的98.07%； 满足二级(A级)绿色食品产地标准的土壤面积为148 km2，占全区面积的1.08%； 不符合绿色食品产地要求的三级(其他产地)土壤面积为116 km2，占全区面积的0.85%。逊克平原土壤环境质量绝大部分达到一级标准，是一块宝贵的发展绿色食品前景广阔的洁净土地资源(见图5)。

图5 逊克平原绿色产地环境质量评价Fig.5 Environmental quality assessment map of green producing areas in Xunke plain

5 结论及建议

1)逊克平原土壤养分充足，土质肥沃。土壤养分单指标N、P、有机质、S、Mn、Mo含量以丰富—较丰富为主； K、Fe2O3、Co、V含量以较丰富—中等为主； CaO、MgO、Zn含量以中等—较缺乏为主； Cu、B、Ge含量以较缺乏—缺乏为主。建议对CaO、Zn、MgO、Cu、Ge、B缺乏区适量施加相应的肥料，进行土壤改良，以提高农作物的产量和质量。全区土壤养分综合等级以丰富和较丰富为主，面积分别占全区面积的44.58%和36.5%，全区无养分缺乏等级土壤。

2)逊克平原土壤环境质量好，全区没有风险较高的土壤分布。一等土壤面积为13 600 km2，比例为99.59%；二等土壤面积仅有56 km2，比例为0.41%。

3)逊克平原土壤质量地球化学综合等级以优质为主，有一等(优质)土壤面积11 028 km2，占研究区面积的80.76%；二等(良好)土壤面积2 072 km2，占研究区面积的15.17%；三等(中等)土壤面积556 km2，占研究区面积的4.07%；没有差等(四等)和劣等(五等)土壤。

4)逊克平原土壤环境质量满足一级(AA级)绿色食品产地的土壤面积为13 392 km2，占全区面积的98.07%； 满足二级(A级)的土壤地面积为148 km2，占全区面积的1.08%； 不符合绿色食品产地的三级(其他产地)土壤面积为116 km2，占全区面积的0.85%。逊克平原土壤优质，环境清洁、养分充足，适合于发展现代农业，开发绿色食品产地前景广阔。

5)为进一步保护和提高土地生产能力，建议： ①积极推广保护性耕作，增加土壤肥力； ②实施测土配方，科学施肥； ③深耕细作，增加耕层厚度； ④实行秸秆还田，增加土壤有机肥； ⑤加大耕地保护宣传，增强耕地保护意识，严格控制优质土地占用。